激光原理与技术课件

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1、激光原理与技术第一部分激光原理部分第一章激光的基本原理第三章空心介质波导与谐振腔第二章开放式光腔与高斯光束第四章电磁场和物质的共振相互作用第五章激光振荡特性第六章激光放大特性第七章激光振荡的半经典理论第二部分激光技术部分第八章激光特性的控制与改善第九章激光器件第一章激光的基本原理1.1相干性的光子描述1.2光的受激辐射基本概念1.3光的受激辐射放大1.4光的自激振荡1.5激光的特性第二章开放式光腔与高斯光束2.1光腔理论的一般问题2.2共轴球面的稳定性条件2.3开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法2.4平行平面腔模的迭代解法2.5方形镜共焦的自再现模2.6方形镜共焦腔的行波场2

2、.7圆形镜共焦腔2.8一般稳定球面腔模式特征2.9高斯光束的基本性质及特征参数2.10高斯光束q参数的变换规律2.12高斯光束的自再现变换与稳定球面腔2.14非稳腔的几何自再现波型2.15非稳腔的几何放大率和自再现波型的能量损耗2.11高斯光束的聚焦和准直2.13光束衍射倍率因子第三章空心介质波导光谐振腔3.1空心波导光谐振腔的构成和特征3.2空心圆柱波导管中的本征模3.3圆波导本征模的传输常数和损耗特性3.4空心矩形介质波导管中的本征模3.5空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗第四章电磁场和物质的共振相互作用4.1电介质的极化4.2光和物质相互作用的经典理论简介4.3谱线加宽和

3、线型函数4.4典型激光器的速率方程4.5均匀加宽工作物质的增益系数4.6非均匀加宽工作物质的增益系数4.7综合均匀加宽工作物质的增益系数第五章激光振荡特性5.1激光器的振荡阈值5.2激光器的振荡模式5.3输出功率和能量5.4弛豫振荡5.5单模激光器的线宽极限第六章激光器的放大特性6.1激光放大器的分类6.2均匀激励连续激光放大器的增益特性6.3纵向光均匀激励连续激光放大器的增益特性6.4脉冲激光放大器的增益特性5.6激光器的频率牵引6.5放大的自发辐射（ASE）6.6光放大的噪声第七章激光振荡的半经典理论7.1激光振荡的自洽方程组7.2原子系统的电偶级距7.3密度距阵第八章激光

4、器特性的控制和改善8.1模式选择8.2频率稳定8.3Q调制8.4注入锁定8.5锁模第九章激光器件9.1固体激光器9.2气体激光器9.3半导体激光器9.4染料激光器第一章激光的基本原理本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐射以及光放大和振荡的基本概念。1.1相干性的光子描述一、光子的基本性质·光的量子学说(光于说)认为，光是一种以光速c运动的光子流。光子（电磁场量子）和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。它的粒子属性(能量，动量，质量等)和波动属性(频率、彼矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下：（1）光子的能量ε与光波频率ν对应ε=hv（1.

5、1.1）式中h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。（2）光子具有运动质量m，并可表示为光子的静止质量为零。（1.1.2）（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应（1.1.3）n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合，服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的，这是光子与其它服从费米统计分布的粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(ArthurCompt

6、on)散射实验所证实(1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线性叠加，式中或一系列电磁被的本征模式(或本征状态)的叠加。但每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量hk1的整数倍。这种具有基元能量hv1和基元动量hk1的物质单元就称为属于第L个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分，

7、因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子数目是没有限制的。二、光波模式和光子状态相格从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等效的概念。下面将对这一点进行深入一步的讨论。由于光的波粒二象性，我们可以用波动和粒子两种观点来描述它。在激光理论中，光波模式是一个重要概念。按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律由麦克斯韦(C.Maxwell)方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程的一种特解，它表示为式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量